Un confronto tra i calcoli teorici (riga in alto) e i dati di diffusione anelastica dei neutroni da ARCS alla Spallation Neutron Source (riga in basso) mostra l'eccellente accordo tra i due. Le tre figure rappresentano sezioni differenti attraverso i volumi di scattering quadridimensionali prodotti dalle eccitazioni elettroniche. Credito:DOE/Laboratorio Nazionale Argonne
Sfruttando le proprietà dei neutroni per sondare gli elettroni in un metallo, un team di ricercatori guidati dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha acquisito nuove informazioni sul comportamento dei sistemi di elettroni correlati, che sono materiali che hanno proprietà utili come il magnetismo o la superconduttività.
La ricerca, da pubblicare in Scienza , mostra come gli scienziati siano in grado di prevedere le proprietà e la funzionalità dei materiali, permettendoci di esplorare il loro potenziale per essere utilizzati in modi nuovi.
"La nostra missione del Dipartimento dell'Energia è scoprire e quindi comprendere nuovi materiali che potrebbero costituire la base per applicazioni completamente nuove, " ha detto l'autore principale Ray Osborn, uno scienziato anziano nel Neutron and X-ray Scattering Group di Argonne.
Osborn e i suoi colleghi hanno studiato un sistema di elettroni fortemente correlato (CePd 3 ) utilizzando la diffusione di neutroni per superare i limiti di altre tecniche e rivelare come le proprietà elettriche del composto cambiano alle alte e basse temperature. Osborn si aspetta che i risultati ispirino ricerche simili.
"Essere in grado di prevedere con sicurezza il comportamento degli elettroni al variare della temperatura dovrebbe incoraggiare un accoppiamento di risultati e modelli sperimentali molto più ambizioso di quanto sia stato tentato in precedenza, " disse Osborn.
"In molti metalli, consideriamo gli elettroni mobili responsabili della conduzione elettrica che si muovono indipendentemente l'uno dall'altro, solo debolmente influenzato dalla repulsione elettrone-elettrone, " ha detto. "Tuttavia, esiste un'importante classe di materiali in cui le interazioni elettrone-elettrone sono così forti che non possono essere ignorate".
Gli scienziati hanno studiato questi sistemi di elettroni fortemente correlati per più di cinque decenni, e una delle previsioni teoriche più importanti è che alle alte temperature le interazioni degli elettroni causano fluttuazioni casuali che impediscono la loro mobilità.
"Divengono metalli 'cattivi', " disse Osborn. Tuttavia, a basse temperature, le eccitazioni elettroniche iniziano ad assomigliare a quelle dei metalli normali, ma con velocità degli elettroni molto ridotte.
L'esistenza di questo crossover da fluttuazioni casuali incoerenti ad alta temperatura a stati elettronici coerenti a bassa temperatura era stata postulata nel 1985 da uno dei coautori, Jon Lawrence, professore all'Università della California, Irvine. Sebbene ci siano alcune prove per questo negli esperimenti di fotoemissione, Il coautore di Argonne Stephan Rosenkranz ha notato che è molto difficile confrontare queste misurazioni con calcoli teorici realistici perché ci sono troppe incertezze nella modellazione delle intensità sperimentali.
Il gruppo, con sede principalmente ad Argonne e altri laboratori DOE, hanno mostrato che i neutroni sondano gli elettroni in un modo diverso che supera i limiti della spettroscopia di fotoemissione e di altre tecniche.
A rendere possibile questo lavoro sono i progressi nella spettroscopia neutronica presso la Spallation Neutron Source (SNS) del DOE presso l'Oak Ridge National Laboratory, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e la sorgente pulsata di neutroni ISIS del Regno Unito, che consentono misurazioni complete su un'ampia gamma di energie e trasferimenti di quantità di moto. Entrambi hanno giocato un ruolo fondamentale in questo studio.
"I neutroni sono assolutamente essenziali per questa ricerca, Osborn ha detto. "Lo scattering di neutroni è l'unica tecnica sensibile all'intero spettro delle fluttuazioni elettroniche nelle quattro dimensioni di quantità di moto ed energia, e l'unica tecnica che può essere paragonata in modo affidabile a calcoli teorici realistici su una scala di intensità assoluta."
Con questo studio, queste misurazioni quadridimensionali sono state ora confrontate direttamente con calcoli che utilizzano nuove tecniche computazionali sviluppate appositamente per sistemi di elettroni fortemente correlati. La tecnica, nota come teoria del campo medio dinamico, definisce un modo per calcolare le proprietà elettroniche che includono forti interazioni elettrone-elettrone.
Osborn ha riconosciuto i contributi di Eugene Goremychkin, un ex scienziato delle Argonne che ha guidato l'analisi dei dati, e il teorico delle Argonne Hyowon Park, che ha eseguito i calcoli. L'accordo tra teoria ed esperimenti era "veramente notevole, " disse Osborn.
Guardando avanti, i ricercatori sono ottimisti nel colmare il divario tra i risultati degli esperimenti di fisica della materia condensata ei modelli teorici.
"Come si arriva a una fase in cui i modelli sono affidabili?" disse Osborn. "Questo documento mostra che ora possiamo teoricamente modellare anche sistemi estremamente complessi. Queste tecniche potrebbero accelerare la nostra scoperta di nuovi materiali".
